简介

2022年11月，OpenAI推出了一款AI聊天机器人程序，其强大的问答能力瞬间引爆全网关注度。
组成部分：GPT3.5 + 大型语言模型(LLM) + 强化学习微调训练
实现方法：目前没有开源，也没有对应论文，仅在试运行推广收集数据。看实现方式可参考其前身 InstructGPT（GPT+RLHF：模型参数量1.3B远小于GPT-3的 175B），ChatGPT在其基础上可以减少有害和误导性的回答。
优势：相比较其他聊天机器人，ChatGPT可以记住之前和用户对话的内容，且输入内容由审核API过滤避免有冒犯性的言论（如种族注意或性别歧视）
局限：Reward围绕人类监督而设计，可能导致过度优化，从而影响性能（古德哈特定律）。比如训练中审核者都偏向于更长的答案。

可参考的官方链接

官网（可试用，需国外手机注册）：https://openai.com/blog/chatgpt/
OpenAI的RLHF博客：https://huggingface.co/blog/rlhf
由于ChatGPT没有开源，我们只能通过InstructGPT来近似了解ChatGPT的实现
（1）InstructGPT blog：https://openai.com/blog/instruction-following/
（2）InstructGPT paper：https://arxiv.org/abs/2203.02155
（3）InstructGPT code：https://github.com/openai/following-instructions-human-feedback
大型语言模型Large Language Model(LLM)一般使用仓库：https://huggingface.co/

使用的数据集

开源数据集 TruthfulQA 和 RealToxicity

什么是GPT

Generative Pre-trained Transformer (GPT) 是一个深度学习模型，用互联网语料数据训练，可以用于问答、文本摘要生成、机器翻译、分类、代码生成和对话 AI。
历史
（1）2018 年6月，GPT-1 诞生（参数量117M，约1.1亿），这一年也是 NLP（自然语言处理）的预训练模型元年。性能方面，GPT-1 有着一定的泛化能力，能够用于和监督任务无关的 NLP 任务中。其常用任务包括：推理（判断两个句子是包含、矛盾、中立关系）、问答（输入文章和几个答案，选择一个答案）、语义相似度识别（两个句子语义是否相关）、分类。GPT-1在未经调试的新任务上具有一些效果，但泛化能力远远低于微调过的，所以只能算个工具不能算对话式AI
（2）2019年2月GPT-2如期而至，没有对网络做结构创新，仅仅是加大网络参数（参数量1.5B，15亿），大力出奇迹，除了阅读理解之外，在摘要、聊天、续写、编故事、假新闻等都非常强。
（3）2020年5月，GPT-3出现了，作为一个无监督模型（现在经常被称为自监督），几乎可以完成NLP绝大部分任务，比如面向问题搜索、阅读理解、语义推断、机器翻译、文章生成、自动问答，尤其在翻译上能达到无法辨认机翻的程度。让人看到了AGI的希望
（4）据说，GPT-4 会在明年发布，它能够通过图灵测试，并且能够先进到和人类没有区别，除此之外，企业引进 GPT-4 的成本也将大规模下降。

什么是ChatGPT

本质是一个对话模型，它可以回答日常问题、进行多轮闲聊，也可以承认错误回复、挑战不正确的问题，甚至会拒绝不适当的请求。在上周公布博文和试用接口后，ChatGPT很快以令人惊叹的对话能力“引爆”网络。
主要特点：
（1）有强大的语言理解和生成系统
（2）降低人类学习成本和时间成本，可以帮助人类快速改写查错，生成小说摘要，定位代码bug
（3）具有安全机制和去除偏见的能力：对于偷东西的行为表示责怪，对于模糊的提问圆滑的回答，对于未知的问题拒绝回答
主要缺点
（1）仍存在一些简单的逻辑错误，比如把numbers这个字母数量算成8个。但比GPT3好很多，多轮对话下来还是能修正。
（2）有时候会给出看似合理，但是并不正确甚至荒谬的答案，如果用户本身对答案未知，容易被误导
（3）抵抗不安全prompt的能力比较差，还存在过分猜测用户意图的问题，而不是进一步的提问
（4）容易回答废话较多，固定句式，主要是因为构造训练数据时候，用户倾向于选择更长的回复。
和InstructGPT的区别：InstructGPT整体流程和ChatGPT流程基本相同，但是在数据收集、基座模型（GPT3 vs GPT 3.5）以及第三步初始化PPO模型时略有不同。
ChatGPT是站在InstructGPT以及以上理论的肩膀上完成的一项出色的工作，它们将LLM（large language model）/PTM(pretrain language model)与RL（reinforcement learning)出色结合证明这条方向可行。当然，这也是未来还将持续发展的NLP甚至通用智能体的方向。
ChatGPT应用：
（1）ChatGPT对于文字模态的AIGC应用具有重要意义：包括但不限于内容创作、客服机器人、虚拟人、机器翻译、游戏、社交、教育、家庭陪护等领域。比如机器翻译以助手问答的形式出现，甚至只是翻译个大概
（2）ChatGPT作为文字形态的基础模型，自然可以与其他多模态结合：比如Stable Diffusion模型，利用ChatGPT生成较佳的Prompt，对于AIGC内容和日趋火热的艺术创作。
（3）ChatGPT可以作为搜索引擎的有效补充，从效果上来说为时尚早。有答案的query对结果排序就好，没有答案的query也没人能保证ChatGPT是不是对的。
（4）ChatGPT本身的升级：与WebGPT的结合对信息进行实时更新，并且对于事实真假进行判断。现在的ChatGPT没有实时更新和事实判断能力，而这如果结合WebGPT的自动搜索能力，让ChatGPT学会自己去海量知识库中探索和学习，预测可能会是GPT-4的一项能力。
ChatGPT思考：
（1）基于LLM和RLHF，是非常有趣的方向，RL大概率在即将发布分GPT-4中扮演关键角色
（2）目前没有任何信息能确定ChatGPT的规模大小，最早的GPT-3代号Davinci大小175B，InstructGPT的模型代号是Davinci-text-002/003属于GPT3.5，GhatGPT可能是其中一个模型微调得到的，因此猜测应该也是千亿模型。
（3）ChatGPT不算突破式的创新，是近两年业界发展的成果汇总，同一时期的工作还有Deepmind的Sparrow和Google的LaMDA，效果与ChatGPT应该不相上下。
（4）每次聊天过程需要几美分的成本（GPT3.5(Davinci)的成本推测:1k tokens≈700 words为0.02美元）

ChatGPT历史

2017年6月的OpenAI Deep Reinforcement Learning from Human Preferences工作就提出了RLHF（reinforcement learning from human feedback ）的思想,核心思想是利用人类的反馈判断最接近视频行为目标的片段；通过训练来找到最能解释人类判断的奖励函数，然后使用RL来学习如何实现这个目标。
2019年GPT2问世后，OpenAI 就尝试了GPT2+PPO：
（1）NeurIPS 2020的 Learning to Summarize with Human Feedback
（2）三步走的核心思想：收集反馈数据 -> 训练奖励模型 -> PPO强化学习。
（3）RLHF第一阶段是针对多个候选摘要人工排序（这里就体现出OpenAI的钞能力，按标注时间计费，标注过快的会被开除）；第二阶段是训练排序模型（依旧使用GPT模型)；第三阶段是利用PPO算法学习Policy（在摘要任务上微调过的GPT）。
（4）文中模型可以产生比10倍更大模型容量更好的摘要效果。但文中也同样指出，模型的成功部分归功于增大了奖励模型的规模。但这需要很大量级的计算资源——训练6.7B的强化学习模型需要320 GPU-days的成本。
2020年初的OpenAI的Fine-Tuning GPT-2 from Human Preferences可看出，它同样首先利用预训练模型来训练reward模型，进而使用PPO策略进行强化学习。整体步骤初见ChatGPT的雏形！
2021年底OpenAI的提出 WebGPT，核心思想是使用GPT3模型强大的生成能力，学习人类使用搜索引擎的一系列行为，通过训练奖励模型来预测人类的偏好，使WebGPT可以自己搜索网页来回答开放域的问题，而产生的答案尽可能满足人类的喜好。

什么是RLHF

Reinforcement Learning from Human Feedback
RLHF是Hugging Face这家美国公司（最著名的是构建了Transformer库）在一篇发布的博客中提出的概念，旨在于讲述ChatGPT背后的技术原理。
过去几年里，基于prompt范式的AI生成模型取得了巨大成功，以语言模型LM为例，大多采用『自回归生成』方式，通过循环解码的方式基于上下文信息预测下一个词，用交叉熵来计算每个词的loss，但token-level的loss不能很好的刻画整体输出质量，人们往往用BLEU或者ROUGH等评价指标来刻画模型输出和人类偏好的相近程度。所以如果能直接用这些指标作为reward，引入RL训练去微调LM，理论上比交叉熵的监督学习训练方式更好。
RLHF训练过程分为3个核心步骤：
（1）预训练语言模型（LM）：这些语言模型往往见过大量的 [Prompt,Text] 对，输入一个prompt（提示），模型往往能输出还不错的一段文本。可以在人工精心撰写的语料上进行微调，但不是必要的，因为成本非常贵
（2）收集数据并训练奖励模型：一个奖励模型（RM）的目标是刻画模型的输出是否在人类看来表现不错。即，输入 [提示(prompt)，模型生成的文本] ，输出一个刻画文本质量的标量数字。OpenAI的Prompt数据主要来自那些调用GPT API的用户。奖励模型可以基于预训练语言模型热启，在 [x=[prompt，模型回答], y=人类满意度] 构成的标注语料上去微调，也可以直接随机初始化在语料上训。标注人员的任务则是对初始语言模型生成的文本进行排序『pair-wise』，而不是直接打分，因为不同标注人员评价标准不一。有趣的是，奖励模型的大小最好是跟生成模型的大小相近，这样效果会比较好。
（3）通过强化学习微调 LM：策略就是基于该语言模型，接收prompt作为输入，然后输出一系列文本（或文本的概率分布）；而动作空间就是词表所有token在所有输出位置的排列组合（单个位置通常有50k左右的token候选）；观察空间则是可能的输入token序列（即prompt），显然也相当大，为词表所有token在所有输入位置的排列组合；奖励函数（reward）基于RM模型，再叠加一个约束项。约束项基于前面提到的预先富集的数据，从里面采样prompt输入，同时丢给初始的语言模型和我们当前训练中的语言模型（policy），得到俩模型的输出文本y1，y2。然后用奖励模型RM对y1、y2打分，判断谁更优秀。显然，打分的差值便可以作为训练策略模型参数的信号，这个约束项信号一般通过KL散度来计算“奖励/惩罚”的大小，loss=r(θ) - λ·r(KL)，目的是为了不要让模型通过『取巧』的方式小修小改骗RM的高额RL奖励。
OpenAI的第一个RLHF模型是InstructGPT，用小规模参数版本的GPT3
DeepMind的第一个RLHF模型则使用了2800亿个参数的Gopher模型
RLHF的局限性：仍然可能输出有害或者事实上不准确的文本。人类标注成本非常高昂，RLHF最多达到标注人员的知识水平。PPO算法已经比较老了，但目前没有其他更好RL算法来优化RLHF了。

RLHF整体框架（参考InstructGPT）

根据OpenAI的思路，RLHF里分3步：

InstructGPT

1、花钱招人给问题（prompt）写回答（demonstration），然后finetune一个GPT3。这一步大家都懂，就不用说了。这一步可以多训几个版本，第二步会用到。
2、用多个模型（可以是初始模型、finetune模型和人工等等）给出问题的多个回答，然后人工给这些问答对按一些标准（可读性、无害、正确性blabla）进行排序，训练一个奖励模型/偏好模型来打分（reward model）

（1）不直接打分是因为主观需要归一化，从排序变成奖励分数用到了Elo排名系统打分
（2）RM模型一般直接用LM+回归，可以从零训练也可以用老LM做finetune，RM模型和LM模型需要大小差不多，因为它俩的输入都是所有文本，需要差不多的理解能力
（3）除了用Elo打分，也可以对偏序样本直接用pairwise Learning to Rank来打分。
3、用强化学习训练上面那个finetune后的GPT3模型。用强化学习做LM训练的一种思路是用Policy Gradient做，这一块OpenAI用的是他们在17年提出的PPO算法，即Proximal Policy Optimization。

（1）policy是给GPT输入文本后输出结果的过程；
（2）action space是全词表（～50k）；
（3）observation space是输入文本序列的空间（全词表大小 x 序列长度）；
（4）reward function则是一个基于RM输出的一个函数。具体而言，把问题分别输入第一步finetune的模型和正在训练的模型得到输出，把输入RM得到评分，然后这里我们期望别差太多，所以加一个KL散度的惩罚项，即：
GPT3只是个语言模型，它被用来预测下一个单词，丝毫没有考虑用户想要的答案；当使用代表用户喜好的三类人工标注为微调数据后，1.3B参数的InstructGPT在多场景下的效果超越175B的GPT3：
InstuctGPT的工作也很有开创性：它在“解锁”（unlock）和挖掘GPT3学到的海量数据中的知识和能力，但这些仅通过快速的In-context的方式较难获得。InstuctGPT找到了一种面向主观任务来挖掘GPT3强大语言能力的方式。
OpenAI博文中有这样一段原话：当我们要解决的安全和对齐问题是复杂和主观，它的好坏无法完全被自动指标衡量的时候，此时需要用人类的偏好来作为奖励信号来微调我们的模型。

什么是 PPO

PPO(Proximal Policy Optimization) 一种新型的Policy Gradient算法（Policy Gradient是一种强化学习算法，通过优化智能体的行为策略来解决在环境中实现目标的问题）。我们只需了解普通的Policy Gradient算法对步长十分敏感，但是又难以选择合适的步长。在训练过程中新旧策略的的变化差异如果过大则不利于学习。
而PPO提出了新的目标函数可以在多个训练步骤实现小批量的更新，解决了Policy Gradient算法中步长难以确定的问题。由于其实现简单、性能稳定、能同时处理离散/连续动作空间问题、利于大规模训练等优势，近年来受到广泛关注，成为OpenAI默认强化学习算法。

几个做RLHF的项目

（1）https://github.com/openai/lm-human-preferences
（2）https://github.com/lucidrains/PaLM-rlhf-pytorch 在机器之心宣传
（3）https://github.com/allenai/RL4LMs
（4）https://github.com/CarperAI/trlx
（5）https://github.com/lvwerra/trl

几篇RLHF最热门的必读论文

（0）迭代式的更新奖励模型（RM）和策略模型（policy），让奖励模型对模型输出质量的刻画愈加精确，策略模型的输出则愈能与初始模型拉开差距，使得输出文本变得越来越符合人的认知。Anthropic就曾经在论文里讨论了这种做法，并命名为 "Iterated Online RLHF (2022.04.12)"
（1）Deep Reinforcement Learning from Human Preferences (Christiano et al. NeurIPS 2017) ：RLHF用于Atari，使用一些规则标注的不同轨迹之间的pair-wise方式来微调策略。
（2）Fine-Tuning Language Models from Human Preferences(Zieglar et al. arXiv 2019) （配一篇 OpenAI Blog）：一篇早期的文章，研究reward Learning在4个具体任务（continuing text with positive sentiment or physically descriptive language, and summarization tasks on the TL;DR and CNN/Daily Mail datasets.）上的影响，通过5,000 次人类的比较评估就取得了非常好的reasonable ROUGE scores
（3）Learning to summarize with human feedback (Stiennon et al., NeurIPS 2020) RLHF方法应用于 summarize 任务，用ROUGE指标来微调策略提升summarize质量，使用的是GPT-2和PPO。另外一篇文章 Recursively Summarizing Books with Human Feedback(OpenAI Alignment Team, arXiv preprint 2021) 做了这篇文章的后续工作，在GPT3上微调，生成章节摘要再生成整本书摘要，研究表明人类只需要标注5%的摘要数据，就可以在 NarrativeQA 基准上取得先进性效果。
（4）WebGPT: Browser-assisted question-answering with human feedback (OpenAI, arXiv 2021) 允许GPT3模型根据搜索引擎实时拿到的结果来预测，并在ELI5（Reddit 用户提出的问题的数据集）上训练，根据人类标注偏好的数据，用behavior cloning的方式微调模型，结果65%的情况下都取得很好的效果。
（5）InstructGPT: Training language models to follow instructions with human feedback (OpenAI Alignment Team 2022) 讲述RLHF应用在通用语言生成模型上。1.3B 参数 InstructGPT 模型的输出优于 175B GPT-3 的输出，因为通过了人类反馈标记数据，用RL来微调GPT，虽然仍然会犯一些低级错误，但是不真实性和有毒性都明显降低了很多。OpenAI的博客 Aligning Language Models to Follow Instructions 2022.07.27
（6）GopherCite: Teaching language models to support answers with verified quotes (Menick et al. 2022(配一篇Google的技术博客 )：把RLHF应用于训练“开卷式”QA 模型， 2800 亿参数模型 GopherCite 能够生成具有高质量支持证据的答案，并在不确定时放弃回答。对 NaturalQuestions 和 ELI5 数据集的一个子集中的问题答案进行人工评估来衡量 GopherCite 的性能，对抗性 TruthfulQA 数据集的分析安全和可信度
（7）Sparrow: Improving alignment of dialogue agents via targeted human judgements (Glaese et al. arXiv 2022) 用RLHF微调对话Agent，an information-seeking dialogue agent。从 70B 语言模型 Dialogue Prompted Chinchilla (DPC) 开始，再训练两个同样大小的RM模型来近似人类判断：偏好奖励模型 (Preference RM)预测分数和规则违反奖励模型 (Rule RM) 预估违反规则的概率，用A2C训练。
（8）ChatGPT: Optimizing Language Models for Dialogue (OpenAI 2022) 使用RLHF来训练一个LM（language Model）并合理的应用于所有的对话场景
（9）Scaling Laws for Reward Model Overoptimization (Gao et al. arXiv 2022) 研究了缩放奖励偏好在RLHF中的影响，避免古德哈特定律(Goodhart's law)的影响
（10）Training a Helpful and Harmless Assistant with Reinforcement Learning from Human Feedback (Anthropic, 2022) 一个详细的文档研究了如何用RLHF训练LM，偏好模型RM和RL一周训练一次，并确定了 RL 奖励与策略及其初始化之间 KL 散度的平方根之间的大致线性关系
（11）Red Teaming Language Models to Reduce Harms: Methods, Scaling Behaviors, and Lessons Learned (Ganguli et al. 2022) ：详细的研究了如何在训练LM中『发现、测量、减少有害行为』，论文研究了3 种模型大小（2.7B、13B 和 52B 参数）和 4 种模型类型：普通语言模型（LM）；LM 提示乐于助人、诚实且无害；具有拒绝抽样的 LM；以及使用人类反馈强化学习 (RLHF) 训练有帮助和无害的模型。
（12）Dynamic Planning in Open-Ended Dialogue using Reinforcement Learning (Cohen at al. 2022) 使用RL去提升一个实时开放式的对话系统的对话技能。
（13）RL4LM的论文：Is Reinforcement Learning (Not) for Natural Language Processing?: Benchmarks, Baselines, and Building Blocks for Natural Language Policy Optimization (Ramamurthy and Ammanabrolu et al. 2022) 讨论RLHF开源工具的设计空间，提出一个新的算法NLPO来代替PPO

参考

抱抱脸：ChatGPT背后的算法——RLHF | 附12篇RLHF必刷论文 https://zhuanlan.zhihu.com/p/592671478
从零实现ChatGPT——RLHF技术笔记 https://zhuanlan.zhihu.com/p/591474085
算法工程师深度解构ChatGPT技术 https://juejin.cn/post/7176077467092779068

ChatGPT笔记

简介